基于知識庫的數(shù)控加工快速編程關鍵技術研究

佛新崗

(西安航空職業(yè)技術學院， 航空制造工程學院， 陜西， 西安 710089)

0 引言

伴隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)控加工已廣泛應用于航空、航天、造船、化工、電子等行業(yè)。加工的產(chǎn)品也由最初的簡單線條結構升級到具有復雜曲面的綜合件，這就要求工藝編程人員能夠借助于各種CAD/CAM軟件編程實現(xiàn)產(chǎn)品的操作。工藝編程人員需要根據(jù)自己的實踐經(jīng)驗，依據(jù)加工工件的材質(zhì)及要求合理選擇加工刀具的材質(zhì)、合理選擇主軸轉速、進給速度、背吃刀量等切削參數(shù)、合理設計加工工序等內(nèi)容，但這種情況編程效率因人而異，編程質(zhì)量很難保證。對于企業(yè)而言，生產(chǎn)的產(chǎn)品雖多種多樣，但加工特征是有限的，若把每一種加工特征所用的刀具、加工技術參數(shù)等內(nèi)容保存至特定的數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)加工特征選擇調(diào)用、自動匹配相應工藝內(nèi)容，這既能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，又能保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。文獻[1-10]主要針對知識庫的構成、原理及簡單應用進行了研究。其中，文獻[4]、文獻[5]研究了基于UG的電極自動編程系統(tǒng)，該系統(tǒng)創(chuàng)建了一個廣義知識庫，包含自動編程所需要的加工案例庫、刀具庫、工藝參數(shù)庫和操作參數(shù)庫等，具有查詢、增減、修改和維護等功能。系統(tǒng)還針對不同特征的電極零件，創(chuàng)建了加工該電極所需的數(shù)控銑加工工序的編程模板，具有一定的研究借鑒意義。但文中僅限于對電極加工的工藝研究，對于通用零件加工快速編程技術研究較少，因而具有一定的局限性。本文以ESPRIT軟件為平臺，重點研究基于加工特征的數(shù)控加工知識庫的開發(fā)及應用，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1 知識庫關鍵技術研發(fā)

1.1 加工特征技術

在ESPRIT中，特征服務有以下幾個要求。特征需要描述加工的工件形狀，ESPRIT使用標準加工術語，例如型腔、孔、輪廓、端面等等，使用這種方式，一套特征可以描述整個工件的形狀。特征也包括控制在何處切除材料的加工屬性，這些屬性包括切削深度、拔模角、切削方向、進刀和退刀點、引入和引出點等。

特征可以從幾何線框、實體模型、實體面、曲面或者NURB曲線中創(chuàng)建。

(1) 從實體模型創(chuàng)建特征

實體模型是創(chuàng)建特征的理想選擇，因為它們有關于工件形狀和體積的完整三維信息。ESPRIT允許選擇整個實體模型或者實體模型上的單個子元素，例如端面、環(huán)面和邊界。

允許輸入實體模型、實體面、實體環(huán)面或者實體邊界的特征如表1所示。

表1 接受實體模型作為輸入的特征匯總

(2) 從幾何線框創(chuàng)建特征

允許從2D/3D幾何線框、NURB曲線或者曲面創(chuàng)建的特征，如表2所示。

表2 接受幾何作為輸入的特征匯總

1.2 知識庫技術

加工工藝包含一系列可一次性應用的加工操作，可根據(jù)需要包含盡可能多的不同操作。例如，可創(chuàng)建包括锪孔、鉆孔和攻絲步驟的鉆孔工藝和包括平底鏜孔和鉆孔步驟的其他鉆孔工藝。加工工藝的配置完全由用戶自定義，僅有的限制是所有操作必須在相同加工模式內(nèi)，如銑削，車削或線切割。

工藝知識庫最快且最簡單的應用是設置工廠用刀具、切削方式、基于切削系數(shù)預定義的切削轉速和進給率以及在操作和技術頁面其他的預定義默認設置。當在知識庫中設置好工廠數(shù)據(jù)后，企業(yè)里任何工藝人員都可以訪問當前ESPRIT進程內(nèi)的該數(shù)據(jù)，所有加工操作都使用相同的數(shù)據(jù)，可以巧妙降低創(chuàng)建加工操作時人工誤操作的風險。

ESPRIT中工藝知識庫的設置如圖2～圖5所示。圖2中設置企業(yè)所使用的銑刀和車刀，可以在任何技術頁面中打開刀具管理器以便選擇刀具；圖3中自定義銑削、車削、車銑復合加工和線切割操作的默認設置，如果在ESPRIT文檔中選擇默認技術組，當打開技術頁面時自動加載已定義設置；圖4中根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品加工模型特征設置對應的加工工藝方案，包括特征類型、加工刀具、切削參數(shù)、加工策略等參數(shù)，常規(guī)加工方案有孔加工(預鉆、鉆孔、擴孔、鉸孔、鏜孔等)、型腔加工、平面加工、螺紋加工等；圖5中設置加工用刀具切削標準、切削材料類型、切削方式、刀具材料等各種標準，然后基于上述標準設置轉速和進給率。使用系統(tǒng)提供的計算類型或使用內(nèi)嵌轉速/進給率計算器計算各種不同刀具直徑和切削深度對應的轉速和進給率,并以數(shù)據(jù)圖的方式直觀表示轉速/進給率值域，且可以直接在圖形中調(diào)整數(shù)據(jù)。

圖2 刀具設置

圖3 缺省工藝設置

圖4 專用工藝設置

圖5 切削參數(shù)設置

工藝管理器可以針對加工特征包含盡可能多不同的切削操作，甚至各種不同類型的操作(輪廓加工、型腔加工、鉆孔等)。全部工藝都可應用于特征且可保存為將來使用，可創(chuàng)建包含一系列復雜操作的加工工藝，也可創(chuàng)建相對簡單的加工工藝以節(jié)省時間。

在ESPRIT中，可在工藝知識庫中創(chuàng)建和保存加工工藝或使用工藝管理器直接在ESPRIT中創(chuàng)建，使用工藝知識庫的優(yōu)勢在于可以使用自動特征識別功能。使用工藝知識庫編程和傳統(tǒng)工藝對比如表3所示。

表3 加工工藝比較

在工藝知識庫中可以設置用戶自定義工件類型和與其關聯(lián)的默認加工工藝。默認加工工藝設置使ESPRIT中的加工操作創(chuàng)建完全自動化。

2 應用案例

某航空產(chǎn)品配件如圖6所示，毛坯材料為6061鋁塊，加工刀具材質(zhì)為硬質(zhì)合金，主要加工工藝包括面銑削、型腔銑削、鉆孔加工。

圖6 某航空產(chǎn)品配件

在ESPRIT中選擇創(chuàng)建特征工具創(chuàng)建如圖7所示的孔特征、型腔特征、島嶼特征。

圖7 加工特征設置

在編制刀軌之前應先進行知識庫基本設置，否則知識庫的基本數(shù)據(jù)鏈接不到工藝管理器中，設置包括部件類型、主軸轉速、加工材料類型、加工材料條件、Z軸進給系數(shù)百分比、缺省技術組等內(nèi)容，如圖8所示。

圖8 加工特征設置

選中相應的加工特征之后，在ESPRIT中選擇工藝管理器功能圖標，彈出的工藝管理器對話框如圖9所示。在對應的特征設置欄中顯示相應的特征類型、工藝名稱，在工藝步驟設置欄中顯示直接生成的對應加工工藝，相關設置數(shù)據(jù)均來源于前期知識庫中相應的設置，直接確認即可生成相應加工特征刀軌，結果如圖10所示。添加機床模型，仿真加工結果如圖11所示。

圖9 工藝管理器

圖10 加工刀路

圖11 仿真結果

產(chǎn)品按照傳統(tǒng)加工工藝與知識庫加工工藝加工后，局部加工效果如圖12所示，對比可以看出傳統(tǒng)工藝加工表面比較粗糙，采取知識庫加工工藝加工表面比較光滑。

(a) 傳統(tǒng)加工工藝

3 總結

知識庫技術的快速發(fā)展為實際智能化加工提供了保障，通過建立產(chǎn)品加工工藝知識庫，能有效地實現(xiàn)通用產(chǎn)品的智能化、快速化編程。

構建加工特征案例庫是實現(xiàn)產(chǎn)品快速智能化編程的關鍵，通過案例的調(diào)用，采用繼承和完善的方法可快速獲取所需的規(guī)范工藝及程序。

知識庫具有案例庫、刀具庫、工藝參數(shù)庫和操作參數(shù)庫等多個基于知識工程的知識庫，并且可以進行更新、維護等操作。智能化的自動編程過程極大地減少了人工干預，從而降低了編程過程的差錯率，有效地提高了編程的效率和質(zhì)量，具有廣泛的推廣前景。